劉珠妹 蔣海昆 李盛樂(lè) 黎明曉 汪園園 劉堅(jiān)

1)湖北省地震局，地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 2)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

震后趨勢(shì)早期判定對(duì)震后應(yīng)急部署決策有重要的參考意義。震后趨勢(shì)判定的時(shí)效性和科學(xué)性是其關(guān)鍵。根據(jù)中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司震后緊急會(huì)商工作流程(1)中國(guó)地震局辦公室,2019，《震后趨勢(shì)會(huì)商業(yè)務(wù)規(guī)定(試行)》(中震辦函[2019]23號(hào)).規(guī)定，顯著地震發(fā)生后半小時(shí)內(nèi)需上報(bào)震后趨勢(shì)快速研判意見(jiàn)。在極短時(shí)間內(nèi)，大量歷史地震、構(gòu)造背景等資料的清理、計(jì)算、分析以至于產(chǎn)出產(chǎn)品，離不開(kāi)技術(shù)系統(tǒng)的支持。

美國(guó)國(guó)家現(xiàn)代地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(ANSS)自2000年創(chuàng)立以來(lái)，依賴(lài)地震與大地測(cè)量數(shù)據(jù)的匯集和分析，向政府應(yīng)急管理人員、社會(huì)公眾以及地震研究人員發(fā)布地震發(fā)生及其影響的多類(lèi)信息，包括地震速報(bào)、ShakeMap相關(guān)產(chǎn)品、測(cè)震波形資料、震源機(jī)制解等。值得注意的是，自2018年8月開(kāi)始，ANSS開(kāi)始采用Page等(2016)改進(jìn)的Reasenberg-Jones模型(Reasenberg et al，1994、1989),對(duì)美國(guó)境內(nèi)顯著地震進(jìn)行余震概率預(yù)測(cè)，并計(jì)劃于2019年實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化產(chǎn)出。目前,人工參與的余震概率預(yù)測(cè)第一次產(chǎn)出在震后30min后，之后將隨著序列的不斷發(fā)育更新預(yù)測(cè)結(jié)果(Barall et al，2019)。

我國(guó)應(yīng)用震后趨勢(shì)判定技術(shù)始于1990年，北京亞運(yùn)會(huì)期間發(fā)生昌平4.0級(jí)地震，原國(guó)家地震局迅速應(yīng)對(duì)，判斷后續(xù)不會(huì)發(fā)生影響性地震，保障了亞運(yùn)會(huì)的順利舉辦。武安緒等(1999)在國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司支持下，于1998年推出了SSRA地震現(xiàn)場(chǎng)震情分析軟件，在地震現(xiàn)場(chǎng)和日常預(yù)報(bào)工作中取得了一定效益。蔣海昆等于2007年組織研制了基于GIS的華東南地區(qū)震后趨勢(shì)判定軟件(董曼，2008)，在地震類(lèi)型分區(qū)的基礎(chǔ)上，一鍵產(chǎn)出震中所在區(qū)域的構(gòu)造背景、歷史地震活動(dòng)空間分布和區(qū)域特征，為分析預(yù)報(bào)人員提供會(huì)商基礎(chǔ)材料。2014年，張永仙等參與組織了華北地區(qū)強(qiáng)化跟蹤項(xiàng)目，將華北地區(qū)進(jìn)一步細(xì)化為14個(gè)首都圈分區(qū)與50個(gè)外圍分區(qū)，并建立了華北震后快速響應(yīng)及計(jì)算機(jī)查詢(xún)系統(tǒng)，在多次地震應(yīng)急響應(yīng)工作中發(fā)揮了效用。隨后該系統(tǒng)被統(tǒng)一集成到MapSIS地震分析預(yù)報(bào)軟件中，在全國(guó)的震情分析會(huì)商工作中得到應(yīng)用(劉堅(jiān)等，2018)。

除此之外，還有應(yīng)用于局部區(qū)域震后趨勢(shì)判定的軟件，如廣西震后趨勢(shì)快速研判系統(tǒng)(張華等，2014)、基于地震序列研究的震后快速判定系統(tǒng)(許昭平，2012)、震后趨勢(shì)決策支持系統(tǒng)PTDSS(莊昆元等，2001)、基于震例的測(cè)震學(xué)異常輔助判定系統(tǒng)(黃金剛等，2017)等。上述系統(tǒng)在序列統(tǒng)計(jì)分析、震后地震活動(dòng)趨勢(shì)判定工作中發(fā)揮了作用，但也存在許多不足，影響著序列早期趨勢(shì)判斷的時(shí)效性和規(guī)范性。隨著我國(guó)地震應(yīng)急管理體制的逐步建立，針對(duì)新的需求，各類(lèi)問(wèn)題日益凸顯：

(1)服務(wù)于震后趨勢(shì)判定的基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)不夠完備。例如在地震序列類(lèi)型判定中最重要的地震序列目錄，目前均由各省級(jí)地震局自行收集或以一定算法提取，缺乏完整、權(quán)威的全國(guó)范圍內(nèi)的地震序列知識(shí)庫(kù)。此外，以往使用的全國(guó)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、全國(guó)斷層構(gòu)造數(shù)據(jù)大部分為2000年左右版本，需要及時(shí)更新以提高產(chǎn)品準(zhǔn)確性以及滿(mǎn)足規(guī)范化地圖生產(chǎn)的要求。目前由于各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的差異，國(guó)家層面與區(qū)域?qū)用娈a(chǎn)出結(jié)果之間不一致的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這在當(dāng)前政府部門(mén)上下聯(lián)動(dòng)緊密、資訊快速傳遞的應(yīng)急管理體制下，不能滿(mǎn)足地震工作服務(wù)政府部門(mén)的相關(guān)要求。

(2)現(xiàn)有震后趨勢(shì)判定系統(tǒng)流程規(guī)范性不足?，F(xiàn)有的大部分趨勢(shì)判定系統(tǒng)均為按需定制的工具型軟件，需要人機(jī)交互操作完成資料下載、序列時(shí)空分析、趨勢(shì)會(huì)商意見(jiàn)產(chǎn)出等工作，尚未完成流程化作業(yè)。部分軟件(如MapSIS)在趨勢(shì)判定自動(dòng)產(chǎn)出方面開(kāi)展了初步的嘗試，但由于觸發(fā)機(jī)制不夠完善，趨勢(shì)判定規(guī)則及流程尚未統(tǒng)一規(guī)范，也未實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制下的資料多平臺(tái)推送，尚不能滿(mǎn)足新時(shí)代地震工作服務(wù)社會(huì)的需要。

(3)判定規(guī)則簡(jiǎn)單，未充分體現(xiàn)目前對(duì)震后趨勢(shì)判定的科學(xué)認(rèn)知。此外，目前的震后趨勢(shì)快速判定大多根據(jù)特定區(qū)域內(nèi)不同震級(jí)檔的先驗(yàn)?zāi)０瀹a(chǎn)出，不能在震情發(fā)展過(guò)程中及時(shí)更新資料，也未能結(jié)合專(zhuān)家知識(shí)和其它輔助條件靈活調(diào)整判定規(guī)則、動(dòng)態(tài)參與到震后趨勢(shì)判定中來(lái)。

針對(duì)上述問(wèn)題和新形勢(shì)下地震應(yīng)急工作的需求，震后趨勢(shì)判定技術(shù)系統(tǒng)(CENC Automatic Aftershock Forecasting, 簡(jiǎn)稱(chēng)CAAF)于2018年投入研發(fā)。其中震后趨勢(shì)早期判定技術(shù)系統(tǒng)作為CAAF中最重要的子系統(tǒng)，將最新的區(qū)域地質(zhì)背景、行政地理和人口經(jīng)濟(jì)要素、歷史及現(xiàn)代地震活動(dòng)、震源機(jī)制解、水庫(kù)或人類(lèi)工業(yè)活動(dòng)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，根據(jù)中國(guó)地震局地震應(yīng)急處置和工作流程要求，以歷史地震活動(dòng)類(lèi)比為基礎(chǔ)，基于專(zhuān)家規(guī)則和動(dòng)態(tài)震情數(shù)據(jù)，初步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)的震后早期趨勢(shì)研判及相關(guān)報(bào)告的流程化產(chǎn)出，并在權(quán)限規(guī)定內(nèi)通過(guò)多平臺(tái)快速推送給用戶(hù)。

1 震后趨勢(shì)判定相關(guān)知識(shí)庫(kù)建立

1.1 知識(shí)庫(kù)組成

服務(wù)于本系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)包括多方面的數(shù)據(jù)集，可大致分為地理地質(zhì)、測(cè)震兩大類(lèi)。這些數(shù)據(jù)集部分來(lái)源于已有研究成果或最新行業(yè)共享資料，部分由本文重新整理所得。各數(shù)據(jù)集來(lái)源、更新版本和更新頻率見(jiàn)表1。

表1 震后趨勢(shì)背景知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)集

地理地質(zhì)類(lèi)數(shù)據(jù)集包括全國(guó)行政區(qū)劃邊界(分為省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)四級(jí))、縣級(jí)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、中國(guó)及鄰區(qū)構(gòu)造斷層矢量數(shù)據(jù)(徐錫偉等，2016)、全國(guó)30s分辨率地形數(shù)據(jù)、全國(guó)大型水庫(kù)數(shù)據(jù)(1億m3庫(kù)容以上)、工業(yè)活動(dòng)區(qū)范圍等。

測(cè)震類(lèi)數(shù)據(jù)集包括中國(guó)及鄰區(qū)1970年以來(lái)現(xiàn)代小震目錄、1900年以來(lái)歷史強(qiáng)震目錄(5級(jí)以上)、地震序列目錄、1900年以來(lái)“西6東5”(2)“西6東5”指以107°E為界，我國(guó)西部M≥6、東部M≥5地震事件。后文“西5東4”同理。強(qiáng)震破裂區(qū)、1900年以來(lái)震源機(jī)制解(4級(jí)以上)以及區(qū)域地震活動(dòng)資料。其中，歷史地震序列目錄采用了《中國(guó)大陸地震序列目錄整理》項(xiàng)目的“西5東4”序列目錄成果(3)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心等，2018，《中國(guó)大陸地震序列目錄整理》。，此外還補(bǔ)充本系統(tǒng)計(jì)算的其它小震地震序列類(lèi)型。區(qū)域地震活動(dòng)資料采用了《中小地震(序列)類(lèi)型及區(qū)域特征》項(xiàng)目成果(4)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心等，2007、2008，《中小地震(序列)類(lèi)型及區(qū)域特征》。，包括全國(guó)176個(gè)地震分區(qū)的地震構(gòu)造概況、歷史與現(xiàn)代地震活動(dòng)特征等大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖文資料。

1.2 歷史地震序列數(shù)據(jù)集創(chuàng)建

1.2.1 序列分類(lèi)規(guī)則

根據(jù)震后趨勢(shì)判定工作需要，我國(guó)一般將序列類(lèi)型分為主-余型(包含前-主-余型)、孤立型和多震型3種類(lèi)型(Utsu，2002;吳開(kāi)統(tǒng)，1990)。依據(jù)《震后趨勢(shì)判定參考指南》(蔣海昆等，2015)，本系統(tǒng)采用ΔT時(shí)間內(nèi)序列主震與最大余震震級(jí)差ΔM劃分序列類(lèi)型

(1)

參考蔣海昆等(2006)對(duì)中國(guó)大陸中強(qiáng)地震序列的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，93%的序列1年內(nèi)的最大余震發(fā)生在90天內(nèi)，因此ΔT取3個(gè)月。

1.2.2 序列目錄及類(lèi)型確定

1970年以來(lái)“西5東4”以上的序列目錄及相關(guān)資料由《中國(guó)大陸地震序列目錄整理》課題組整理得到。該數(shù)據(jù)集依據(jù)最大曲率方法(Wiemer et al，2000)，選擇使G-R關(guān)系偏離線(xiàn)性時(shí)的震級(jí)作為最小完備震級(jí)。序列持續(xù)時(shí)間根據(jù)震源區(qū)當(dāng)前地震活動(dòng)率與背景地震發(fā)生率相比較的方法確定(盛菊琴等，2007)。余震區(qū)范圍則是考慮主震發(fā)生區(qū)域地震監(jiān)測(cè)能力，以主震后48h或72h(余震較少時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng))內(nèi)余震分布外包絡(luò)并外擴(kuò)一定范圍得到的。余震后期擴(kuò)展較為豐富的序列則依靠人工判斷勾畫(huà)合適的區(qū)域邊界。

為彌補(bǔ)人工整理的地震序列不足，排除已整理的“西5東4”序列后，系統(tǒng)對(duì)剩余目錄中所有M≥3地震，利用上述規(guī)則自動(dòng)檢測(cè)小震序列。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)震后快速資料準(zhǔn)備、參數(shù)計(jì)算、趨勢(shì)判定以及多平臺(tái)發(fā)布要求，系統(tǒng)采用穩(wěn)定性強(qiáng)的C/S架構(gòu)(圖1)，部署在中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心云服務(wù)平臺(tái)，分為數(shù)據(jù)資源、核心計(jì)算、業(yè)務(wù)模型、接口服務(wù)以及表現(xiàn)層5部分。

圖 1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)資源層包括震后趨勢(shì)判定相關(guān)背景知識(shí)庫(kù)、全國(guó)統(tǒng)一地震編目數(shù)據(jù)庫(kù)、地震速報(bào)信息以及系統(tǒng)產(chǎn)品的本地備份。其中震后趨勢(shì)判定背景知識(shí)庫(kù)以文件數(shù)據(jù)集的形式列裝于服務(wù)器；全國(guó)統(tǒng)一地震編目數(shù)據(jù)通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)接口調(diào)用；地震速報(bào)信息包括發(fā)震時(shí)間、震中經(jīng)緯度、震級(jí)、深度、發(fā)震地名，通過(guò)web接口向“地震信息播報(bào)機(jī)器人”高速拉取。

核心計(jì)算層包括震情基礎(chǔ)資料、會(huì)商輔助信息以及震后趨勢(shì)快速研判過(guò)程中涉及到的數(shù)據(jù)清洗、資料時(shí)空統(tǒng)計(jì)以及模型運(yùn)算，如行政人口統(tǒng)計(jì)、發(fā)震斷層判斷、強(qiáng)震余震區(qū)計(jì)算等。業(yè)務(wù)模型層中預(yù)先設(shè)置了繪圖模板和Word、PPT產(chǎn)品模板，核心計(jì)算的結(jié)果將在該層生成對(duì)應(yīng)的圖件，并通過(guò)Office API接口生成《震情專(zhuān)報(bào)》簡(jiǎn)報(bào)或詳報(bào)以及會(huì)商輔助信息PPT產(chǎn)品。

最后，產(chǎn)品分別推送到臺(tái)網(wǎng)中心值班服務(wù)器以及“地震信息播報(bào)機(jī)器人”企業(yè)公眾號(hào)。前者采用web Socket實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的文件傳輸，相較于FTP文件傳輸方式更為簡(jiǎn)易方便；后者在“地震信息播報(bào)機(jī)器人”主體上建立“震后趨勢(shì)”應(yīng)用程序，設(shè)定用戶(hù)審核通過(guò)機(jī)制，通過(guò)企業(yè)微信API發(fā)送http消息請(qǐng)求，將產(chǎn)出的震后趨勢(shì)判定相關(guān)信息發(fā)送至“震后趨勢(shì)”應(yīng)用，再推送至特定權(quán)限的行業(yè)用戶(hù)。

以上流程除自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)以外，系統(tǒng)還支持?jǐn)嗑W(wǎng)、斷庫(kù)情況下的手動(dòng)操作模式。值班員可通過(guò)客戶(hù)端界面輸入地震參數(shù)，調(diào)用本地存儲(chǔ)資料進(jìn)行手工流程觸發(fā)，以避免應(yīng)急時(shí)網(wǎng)絡(luò)堵塞等狀況，但手工操作的數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)自動(dòng)更新。

2.2 系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

系統(tǒng)產(chǎn)出的最終產(chǎn)品為《震情專(zhuān)報(bào)(詳版)》、《震情專(zhuān)報(bào)(簡(jiǎn)版)》、會(huì)商輔助信息PPT以及相關(guān)圖件和原始數(shù)據(jù)資料。

《震情專(zhuān)報(bào)(詳版)》是協(xié)助預(yù)報(bào)人員在會(huì)商后撰寫(xiě)趨勢(shì)研判報(bào)告提供的草擬稿，共包含12類(lèi)震情相關(guān)信息，分別為：①地震三要素，②與歷史強(qiáng)震的時(shí)空關(guān)系，③震中附近歷史及現(xiàn)代地震活動(dòng)概況，④歷史地震序列類(lèi)型統(tǒng)計(jì)特征，⑤震情早期趨勢(shì)判定意見(jiàn)，⑥Ⅲ度以上烈度影響范圍及人口數(shù)量，⑦震中附近主要斷層及斷層性質(zhì)，⑧與年度地震危險(xiǎn)區(qū)的空間位置關(guān)系，⑨震前15天內(nèi)“前震”活動(dòng)概況，⑩震中附近水庫(kù)、工業(yè)活動(dòng)等人類(lèi)活動(dòng)區(qū)域分布，震中附近歷史震源機(jī)制及優(yōu)勢(shì)空間分布，震中所在地震分區(qū)的構(gòu)造背景和地震活動(dòng)特征等?！墩鹎閷?zhuān)報(bào)(簡(jiǎn)版)》是預(yù)報(bào)人員震后半小時(shí)內(nèi)上報(bào)研判意見(jiàn)的基礎(chǔ)，是《震情專(zhuān)報(bào)(詳版)》的凝縮，包括上述前5類(lèi)震情信息。以上基本信息根據(jù)不同場(chǎng)景要求、實(shí)際的數(shù)據(jù)完備程度，靈活組裝為通順連貫的報(bào)告。

會(huì)商輔助信息PPT則將上述信息以文字、表格、構(gòu)造和震中分布圖、不同時(shí)間尺度M-T圖、震源機(jī)制沙灘球及玫瑰花圖等可視化的形式進(jìn)行展示，作為預(yù)報(bào)人員會(huì)商匯報(bào)的基礎(chǔ)素材。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 系統(tǒng)啟動(dòng)閾值

在服務(wù)器運(yùn)行期間，系統(tǒng)高頻拉取“地震信息播報(bào)機(jī)器人”提供的地震速報(bào)參數(shù)。一旦檢測(cè)到新發(fā)生的地震且符合啟動(dòng)閾值時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)震后趨勢(shì)判定工作流程。

結(jié)合中國(guó)地震局震后趨勢(shì)會(huì)商工作流程①要求，目前系統(tǒng)啟動(dòng)閾值為：

(1)大陸西部(107°E以西，含)M≥3.8地震；

(2)大陸東部(107°E以東，不含)M≥2.8地震；

(3)北京、天津、上海、唐山、保定、張家口、承德、廊坊行政區(qū)域M≥2.0地震；

(4)中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)M≥4.5地震；

(5)其他省會(huì)城市與計(jì)劃單列市M≥3.0地震。

本系統(tǒng)原則上只針對(duì)“主震”開(kāi)展早期趨勢(shì)判定工作。為避免大震后強(qiáng)余震頻發(fā)觸發(fā)系統(tǒng)，降低對(duì)用戶(hù)的“打擾”，系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)態(tài)震情數(shù)據(jù)，采用預(yù)定義規(guī)則對(duì)啟動(dòng)閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過(guò)該機(jī)制，目前對(duì)強(qiáng)震發(fā)生后24h內(nèi)的4級(jí)以下余震做“靜默”處理，預(yù)判并提醒用戶(hù)當(dāng)前地震是否與近期已發(fā)生強(qiáng)震構(gòu)成“多震型”序列或?qū)儆谄洹坝嗾稹薄?/p>

2.3.2 震后趨勢(shì)早期判定技術(shù)

由于時(shí)間緊迫，震后第一時(shí)間內(nèi)序列尚未充分發(fā)育，無(wú)法滿(mǎn)足序列參數(shù)計(jì)算的樣本要求。但由于中強(qiáng)地震破裂特征主要受制于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與局部構(gòu)造的相互作用，中國(guó)大陸中強(qiáng)地震破裂特征具有一定的區(qū)域差異性(張曉東，2004)，相應(yīng)的序列類(lèi)型也有一定的區(qū)域特征(蔣海昆等，2006)，因此實(shí)際工作中常常根據(jù)區(qū)域歷史地震活動(dòng)特征和歷史地震序列特點(diǎn)，通過(guò)相似性類(lèi)比方法(中國(guó)地震局，1998)，初步判定震后早期趨勢(shì)意見(jiàn)。本系統(tǒng)充分利用專(zhuān)家規(guī)則，建立的震后趨勢(shì)早期判定模型，如圖2 所示。

圖 2 震后趨勢(shì)早期判定模型

其中，震后趨勢(shì)判定意見(jiàn)的專(zhuān)家規(guī)則Rule，可表示為如下形式：

在該規(guī)則中，只要輸入?yún)?shù)滿(mǎn)足一定的預(yù)置條件，即將得出唯一對(duì)應(yīng)的結(jié)論。

〈條件變量〉包括5種，分別為當(dāng)前震級(jí)M，區(qū)域統(tǒng)計(jì)半徑R，歷史地震序列比例P，歷史序列樣本量N以及預(yù)判震型T。根據(jù)《震后趨勢(shì)會(huì)商業(yè)務(wù)規(guī)定》(中國(guó)地震局辦公室,2019)，R(單位：km)與M的關(guān)系為

(2)

預(yù)判震型T={主震，余震，多震}，表示當(dāng)前地震是否為獨(dú)立主震事件，或者與前次地震構(gòu)成余震或多震型序列。

〈運(yùn)算符〉表示條件變量間的關(guān)系，通常為“且(and)”、“或(or)”和“非(not)”。〈條件值〉表示條件變量的取值，如R=200，P=65%，N>10?！礄?quán)重〉表示各變量在規(guī)則判定中的重要程度。在本模型中，當(dāng)T取值為“余震”或“多震”時(shí)，各變量權(quán)值將自動(dòng)調(diào)整，以輸入震級(jí)M和預(yù)判類(lèi)型T為主進(jìn)行早期趨勢(shì)判定。

〈結(jié)論變量〉包括2種，分別為“后續(xù)是否有強(qiáng)震”、“強(qiáng)震震級(jí)”?！唇Y(jié)論值〉經(jīng)自然語(yǔ)言處理為{“有可能發(fā)生”、“發(fā)生的可能性不大”}、{“有感地震”、“類(lèi)似大小地震”、“m(m|4，4.5，5，5.5，6)級(jí)地震”、“更大地震”}等多種表述方式。

通過(guò)以上設(shè)定，當(dāng)輸入地震事件的震級(jí)、預(yù)判類(lèi)型時(shí)，該模型將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)的歷史序列類(lèi)型，并經(jīng)過(guò)專(zhuān)家判定規(guī)則與自然語(yǔ)言表述規(guī)則，最終輸出該地震的震后早期趨勢(shì)判定意見(jiàn)。

2.3.3 不同場(chǎng)景下信息模板篩選技術(shù)

根據(jù)資料的完整度以及震級(jí)下限設(shè)定，系統(tǒng)可采用不同的優(yōu)化算法，選取不同信息模板統(tǒng)計(jì)不同范圍的資料，從而產(chǎn)出不同詳細(xì)程度、不同信息組合的產(chǎn)品。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：根據(jù)輸入的地震速報(bào)基本參數(shù)和預(yù)置的模板選用規(guī)則，在模板庫(kù)中檢索和篩選候選模板；利用預(yù)置的各模板組合順序，最終確定完整的產(chǎn)品模板；最后過(guò)濾不同模板中“冗余”信息，使報(bào)告簡(jiǎn)潔、精煉，更貼近于自然語(yǔ)言輸出。部分候選模板及篩選條件見(jiàn)表2。

表2 部分候選模板及篩選條件

注：“—”表示沒(méi)有該約束條件。

圖 3 系統(tǒng)試運(yùn)行期間響應(yīng)震例的空間分布(a)，震級(jí)(灰色柱圖)及產(chǎn)出時(shí)間(黑色點(diǎn)線(xiàn))(b)

3 系統(tǒng)應(yīng)用

震后趨勢(shì)早期判定技術(shù)系統(tǒng)于2018年10月開(kāi)始試運(yùn)行，直接與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心預(yù)報(bào)部業(yè)務(wù)掛鉤，同時(shí)向中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)管理部門(mén)、全國(guó)各省地震局分析預(yù)報(bào)部門(mén)提供服務(wù)，初步實(shí)現(xiàn)震情會(huì)商分析資料、社會(huì)地理資料、地質(zhì)構(gòu)造資料、歷史地震活動(dòng)資料以及震后趨勢(shì)快速研判意見(jiàn)等產(chǎn)品的快速產(chǎn)出。截至2019年5月31日，正式產(chǎn)出147個(gè)地震事件的震后早期研判震情專(zhuān)報(bào)及會(huì)商PPT等產(chǎn)品，地震事件分布見(jiàn)圖3。

3.1 產(chǎn)品產(chǎn)出時(shí)間

系統(tǒng)部署在Windows server 2008虛擬主機(jī)上，配置Intel E5雙核CPU及32G服務(wù)器處理內(nèi)存、2TB硬盤(pán)，安裝Office2013及GMT6.0制圖軟件。

自系統(tǒng)檢測(cè)到符合觸發(fā)條件的震例開(kāi)始，至產(chǎn)品推送到指定用戶(hù)，計(jì)算產(chǎn)品產(chǎn)出時(shí)間。該時(shí)間與產(chǎn)品的豐富程度、類(lèi)型格式以及具體的可視化呈現(xiàn)形式有關(guān)，不同的產(chǎn)出條件消耗時(shí)間不同。如MapSIS軟件一鍵產(chǎn)出會(huì)商PPT報(bào)告約耗時(shí)3～5min；廣西震后趨勢(shì)快速研判系統(tǒng)基于ArcGIS平臺(tái)，可在5min內(nèi)產(chǎn)出Word或PPT形式的震后研判結(jié)果；美國(guó)ANSS系統(tǒng)的余震預(yù)測(cè)意見(jiàn)在震后30min內(nèi)產(chǎn)出至地震專(zhuān)題網(wǎng)頁(yè)。雖然不同系統(tǒng)具體產(chǎn)出內(nèi)容不同，無(wú)法做絕對(duì)時(shí)間消耗的對(duì)比，但在本系統(tǒng)試運(yùn)行階段，約90%的震例(132個(gè))產(chǎn)品產(chǎn)出在5min以?xún)?nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行效率較高，能高效完成資料準(zhǔn)備、計(jì)算、繪圖、分析、產(chǎn)品推送整個(gè)流程。所有147個(gè)震例的產(chǎn)品產(chǎn)出平均消耗2.9min(圖3(b))，時(shí)間效率優(yōu)于同類(lèi)系統(tǒng)或與同類(lèi)系統(tǒng)持平(3～30min不等)。

另外，約10%震例(15個(gè))的產(chǎn)品產(chǎn)出時(shí)間在5min以上，主要分布在唐山老震區(qū)、中國(guó)臺(tái)灣東部、新疆塔什庫(kù)爾干至烏什等區(qū)域(圖3(a))。這些區(qū)域地震活躍、歷史地震資料多，因此需要繪制的圖片較多，耗時(shí)較長(zhǎng)。其中耗時(shí)最長(zhǎng)的為2019年4月4日中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)東縣5.1級(jí)地震，約6分37秒，但仍滿(mǎn)足早期震后趨勢(shì)快速判定的要求。同時(shí)，由圖3(b)可知，產(chǎn)品產(chǎn)出時(shí)間與地震震級(jí)大小關(guān)系不明顯。雖然主震震級(jí)越大、統(tǒng)計(jì)區(qū)域半徑越大，但參與統(tǒng)計(jì)的歷史地震震級(jí)下限也隨之提高，加之不同區(qū)域的地震活動(dòng)有差異，實(shí)際檢索到的歷史震例豐富程度并不隨之增大。

3.2 震例自動(dòng)產(chǎn)出與人工研判結(jié)果的對(duì)比

系統(tǒng)研發(fā)目的是為預(yù)報(bào)人員在震后快速產(chǎn)出、意見(jiàn)快速上報(bào)階段提供輔助支持。除基礎(chǔ)信息的提供、參數(shù)的計(jì)算、基本圖件的制作外，其核心是快速產(chǎn)出震后趨勢(shì)研判意見(jiàn)。該意見(jiàn)與人工參與研判結(jié)果的一致性程度，是衡量系統(tǒng)能否在一定程度上“替代”人工的關(guān)鍵。

系統(tǒng)被震情觸發(fā)后，自動(dòng)產(chǎn)出的震后趨勢(shì)研判意見(jiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“自動(dòng)產(chǎn)出”)，經(jīng)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心預(yù)報(bào)人員快速研判修訂為“《震情專(zhuān)報(bào)》快速研判意見(jiàn)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“人工修訂”)，并在半小時(shí)內(nèi)上報(bào)。若震級(jí)達(dá)到規(guī)定的應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別，各學(xué)科專(zhuān)家、片區(qū)相關(guān)分析預(yù)報(bào)人員將召開(kāi)震情緊急會(huì)商，在3h內(nèi)產(chǎn)出并上報(bào)“《震情專(zhuān)報(bào)》會(huì)商研判意見(jiàn)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“會(huì)商意見(jiàn)”)?！叭斯ば抻啞焙汀皶?huì)商意見(jiàn)”統(tǒng)稱(chēng)為“專(zhuān)家研判”。在上述的趨勢(shì)研判意見(jiàn)中，核心內(nèi)容是原震區(qū)近幾日后續(xù)地震活動(dòng)水平上限估計(jì)，針對(duì)部分地震還包括可能的余震震級(jí)預(yù)測(cè)。

從“自動(dòng)產(chǎn)出”與“人工修訂”、“會(huì)商意見(jiàn)”結(jié)果的定性對(duì)比來(lái)看(圖4)，主震震級(jí)在5級(jí)以下時(shí)，“人工修訂”和“會(huì)商意見(jiàn)”震級(jí)略高于“自動(dòng)產(chǎn)出”。例如2018年11月6日廣東雷州3.1級(jí)地震，系統(tǒng)判定后續(xù)不會(huì)發(fā)生更大地震，而專(zhuān)家研判認(rèn)為后續(xù)地震上限應(yīng)為5.0級(jí)(實(shí)際上，震后數(shù)月雷州地區(qū)未發(fā)生3.1級(jí)以上地震)。主震震級(jí)在5級(jí)以上時(shí)，“人工修訂”和“會(huì)商意見(jiàn)”震級(jí)略低于“自動(dòng)產(chǎn)出”。如2019年4月4日中國(guó)臺(tái)灣海峽5.1級(jí)地震，系統(tǒng)判定后續(xù)地震不會(huì)超過(guò)6.0級(jí)，而專(zhuān)家研判認(rèn)為后續(xù)震級(jí)應(yīng)在5.0級(jí)以?xún)?nèi)(實(shí)際震后數(shù)月原震區(qū)確實(shí)未發(fā)生5.0級(jí)以上地震)。

圖 4 “自動(dòng)產(chǎn)出”與“人工修訂”、“會(huì)商意見(jiàn)”結(jié)果對(duì)比當(dāng)自動(dòng)產(chǎn)出震級(jí)與人工及會(huì)商意見(jiàn)一致時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)將落在斜率為1的目標(biāo)線(xiàn)上

此外，主震震級(jí)在4.0～5.5之間時(shí)，“人工修訂”和“會(huì)商意見(jiàn)”以5級(jí)居多。這實(shí)際上是人工更多地考慮到地震的影響程度(5級(jí)以下一般不會(huì)造成明顯破壞或人員傷亡)，從而給出了1個(gè)“比較安全”的震級(jí)上限估計(jì)，并不是嚴(yán)格按照序列判定規(guī)則給出的結(jié)果。

圖 5 震級(jí)偏差與主震震級(jí)分段的關(guān)系

此外，分析震級(jí)偏差與主震震級(jí)分檔的關(guān)系(圖5)可知，就震后0.5h內(nèi)必須上報(bào)的“人工修訂”意見(jiàn)而言(圖5 藍(lán)色柱)，3.0級(jí)以下震級(jí)段的“人工修訂”直接采用了“自動(dòng)產(chǎn)出”結(jié)果，因此圖5 中該檔震級(jí)“人工-自動(dòng)”平均震級(jí)差為0；而3.0級(jí)以上震級(jí)段的“人工修訂”結(jié)果一般與“自動(dòng)產(chǎn)出”相差0.2～0.4個(gè)震級(jí)單位。就震后3h內(nèi)要求上報(bào)的會(huì)商意見(jiàn)而言(圖5 橙色柱)，5級(jí)以下震級(jí)段的“會(huì)商意見(jiàn)”與“自動(dòng)產(chǎn)出”相差0.3～0.4個(gè)震級(jí)單位，5級(jí)以上震級(jí)段的“會(huì)商意見(jiàn)”與“自動(dòng)產(chǎn)出”相差0.1～0.2個(gè)震級(jí)單位。

綜上，大多數(shù)情況下“自動(dòng)產(chǎn)出”與“人工修訂”以及“會(huì)商意見(jiàn)”其結(jié)果差別不大(許多情況下“人工修訂”直接采用了“自動(dòng)產(chǎn)出”結(jié)果)，但經(jīng)過(guò)人工參與的專(zhuān)家研判震級(jí)上限一般會(huì)高于自動(dòng)產(chǎn)出結(jié)果，平均提高0～0.4個(gè)震級(jí)單位。

3.3 自動(dòng)產(chǎn)出及專(zhuān)家研判結(jié)果與地震實(shí)況的對(duì)比

系統(tǒng)試運(yùn)行期間響應(yīng)的147次震例中，有39次在震后7天內(nèi)發(fā)生了后續(xù)余震。對(duì)比“自動(dòng)產(chǎn)出”以及“專(zhuān)家研判”結(jié)果與實(shí)際地震情況的吻合程度，“專(zhuān)家研判”結(jié)果以“會(huì)商意見(jiàn)”為主，若未會(huì)商則采用半小時(shí)之內(nèi)上報(bào)的“人工修訂”結(jié)果。

從39次震例的預(yù)測(cè)情況來(lái)看(圖6)，“自動(dòng)產(chǎn)出”震級(jí)上限(橙色曲線(xiàn))隨不同震級(jí)有較明顯的起伏波動(dòng)，與主震震級(jí)(灰色柱)有一定的正相關(guān)關(guān)系；“專(zhuān)家研判”震級(jí)上限(藍(lán)色曲線(xiàn))起伏趨勢(shì)與“自動(dòng)產(chǎn)出”基本一致，但有明顯的“趨穩(wěn)”特點(diǎn)，許多震例震級(jí)上限估計(jì)趨于5.0級(jí)，即一般表述為“發(fā)生5級(jí)以上地震的可能性不大”或“不會(huì)發(fā)生5級(jí)以上地震”，這與前述考慮破壞影響的預(yù)測(cè)思路有關(guān)，并不是嚴(yán)格基于序列數(shù)據(jù)得到的結(jié)果。具體來(lái)看，4次震例(約10%，表3)震后7日內(nèi)原震區(qū)地震震級(jí)突破了“自動(dòng)產(chǎn)出”的震級(jí)上限，但僅有1次(2019年5月11日吉林松原5.1級(jí)地震)突破了“專(zhuān)家研判”的震級(jí)上限。說(shuō)明僅就預(yù)期震級(jí)上限估計(jì)而言，“專(zhuān)家研判”結(jié)果相對(duì)更為保險(xiǎn)。除震級(jí)上限估計(jì)外，“自動(dòng)產(chǎn)出”還對(duì)其中21個(gè)震例給出具體的預(yù)測(cè)震級(jí)范圍(圖6 中紫色圓點(diǎn)及±0.5級(jí)誤差棒)。21次震例的預(yù)測(cè)震級(jí)與地震實(shí)況平均相差0.8級(jí)，其中約43%(9次)震例震級(jí)偏差在0.5以?xún)?nèi)。

圖 6 自動(dòng)產(chǎn)出以及專(zhuān)家研判與地震實(shí)況的關(guān)系

表3 突破自動(dòng)產(chǎn)出震級(jí)上限的震例

以0.5個(gè)震級(jí)單位為間隔統(tǒng)計(jì)與“地震實(shí)況”的震級(jí)偏差(圖7)，可見(jiàn)“自動(dòng)產(chǎn)出”震級(jí)偏差在±0.5較小范圍內(nèi)的震例數(shù)多于“人工研判”結(jié)果(圖7 藍(lán)框范圍及藍(lán)色箭頭所指)；對(duì)于大于1.0的較大震級(jí)偏差范圍，“專(zhuān)家研判”結(jié)果的震例數(shù)多于“自動(dòng)產(chǎn)出”(圖7 紅框范圍及紅色箭頭所指)。這意味著，若僅就與地震實(shí)況的吻合程度對(duì)比來(lái)看，“自動(dòng)產(chǎn)出”結(jié)果略好于“人工研判”結(jié)果。由全部39次震例預(yù)測(cè)的后續(xù)地震震級(jí)與7日內(nèi)實(shí)際最大余震震級(jí)的對(duì)比來(lái)看，“自動(dòng)產(chǎn)出”和“專(zhuān)家研判”結(jié)果的平均偏差分別為1.04和1.19，盡管總體差異不大，但“自動(dòng)產(chǎn)出”仍略好于“專(zhuān)家研判”結(jié)果。

圖 7 “自動(dòng)產(chǎn)出”、“專(zhuān)家研判”與“地震實(shí)況”之間震級(jí)偏差統(tǒng)計(jì)

4 討論與結(jié)論

(1)基于震例類(lèi)比原則，開(kāi)發(fā)了震后早期趨勢(shì)判定技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為預(yù)報(bào)人員起草會(huì)商意見(jiàn)及《震情專(zhuān)報(bào)》初稿以及震后首次會(huì)商提供基礎(chǔ)素材(各類(lèi)檢索統(tǒng)計(jì)結(jié)果、基礎(chǔ)圖件制作、PPT)。經(jīng)過(guò)8個(gè)月的試運(yùn)行，系統(tǒng)顯著提升了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心對(duì)震后趨勢(shì)快速研判的時(shí)效性，成為不可或缺的技術(shù)系統(tǒng)。在科學(xué)性方面，多數(shù)情況下自動(dòng)產(chǎn)出與人工結(jié)果差異不大，自動(dòng)產(chǎn)出與地震實(shí)況吻合程度略好于人工結(jié)果。

(2)針對(duì)震群型地震序列中的后續(xù)主震、中強(qiáng)地震序列中的較強(qiáng)余震，系統(tǒng)在自動(dòng)產(chǎn)出意見(jiàn)以及文字表述上，仍存在較多問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，一是必須收集更新資料，根據(jù)我國(guó)大陸地震序列特點(diǎn)，尤其是后續(xù)最大余震震級(jí)的認(rèn)識(shí)，修正、完善震后早期趨勢(shì)判定模型；二是繼續(xù)充實(shí)、完善自然語(yǔ)言表述規(guī)則，尤其是針對(duì)震群型序列后續(xù)地震以及中強(qiáng)地震強(qiáng)余震的自動(dòng)產(chǎn)出專(zhuān)報(bào)編寫(xiě)規(guī)則。

(3)由于目前地震序列類(lèi)型自動(dòng)檢測(cè)算法尚在不斷改進(jìn)，序列資料的實(shí)時(shí)更新機(jī)制尚未建立。后續(xù)將繼續(xù)深入研究地震序列特征，改進(jìn)完善地震序列自動(dòng)檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)地震序列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)更新。

(4)由于樣本的限制，本系統(tǒng)無(wú)法窮盡所有的應(yīng)用場(chǎng)景，目前基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的研判規(guī)則尚未完善，加之科技和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)踐要求也隨之變化，因而本系統(tǒng)需要持續(xù)地修改和完善。更重要的是，能否引入機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)，用于系統(tǒng)知識(shí)的自學(xué)習(xí)及判定規(guī)則的自我優(yōu)化，是在現(xiàn)有理論認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上并基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息條件下，系統(tǒng)能夠發(fā)揮更大作用的關(guān)鍵一步。

致謝：《中國(guó)大陸地震序列目錄整理》課題組為本文提供1970年以來(lái)“西5東4”序列數(shù)據(jù)集，主要完成人及所承擔(dān)的區(qū)域數(shù)據(jù)的整理分別為：蔣海昆(負(fù)責(zé)人)，趙小艷(云南)，祁玉萍、龍峰(四川)，聶曉紅(新疆)，王培玲(青海)，馮建剛(甘肅)，賈若(吉林)，張帆(內(nèi)蒙)，孫業(yè)君(江蘇)，袁麗文(福建及中國(guó)臺(tái)灣)，黎明曉、薛艷、張小濤(大陸東部)，徐長(zhǎng)朋(山東)，李玉鉸(山西)，鮑子文、倪玉紅(安徽)，郭蕾(河北)，董非非(江西)，王亮(遼寧)，周晨(黑龍江)；李盛樂(lè)、汪園園對(duì)全部序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了錯(cuò)誤檢測(cè)及格式校驗(yàn)；杜方、蘇有錦以及以上大部分專(zhuān)家參與了判定規(guī)則的討論；中國(guó)地震局地質(zhì)研究所“活動(dòng)斷層探測(cè)數(shù)據(jù)匯交與共享管理中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持，在此一并感謝。